DIODY
Diody przepuszczają prąd tylko w jednym kierunku; służą do prostowania. W tym celu używa się ich w
prostownikach wchodzących w skład zasilaczy. Ogólnie rozpowszechnione są dzisiaj diody świecące
tzw. LED-y. Zastąpiły one wszelkiego rodzaju kontrolki. Są praktyczne dzięki małym wymiarom oraz
niskiej cenie.
Półprzewodniki
Największą grupę elementów aktywnych stanowią urządzenia zbudowane w oparciu o materiały
półprzewodnikowe. Do materiału półprzewodnikowego dodaje się domieszkę pewnego rodzaju. W
zależności od typu domieszki otrzymuje się półprzewodnik typu P lub N
Diody, tranzystory i układy scalone są zbudowane z materiałów półprzewodnikowych.
German
był historycznie pierwszym półprzewodnikiem. Materiał ten ma słabe własności dla wyższych
częstotliwości, dużą niestabilność temperaturową i dużo mniejszą odporność na wysokie temperatury
niż powszechnie stosowany krzem. Zaletą jego jest niskie napięcie progowe, które powoduje, że
tranzystory germanowe można stosować w obwodach mocy np. w przetwornicach napięcia.
Krzem
jest dzisiaj dominującym materiałem półprzewodnikowym. Jest tani. Obecnie można zbudować
tranzystory dużej mocy o dużym wzmocnieniu i częstotliwości granicznej ( fT) aż do kilku GHz, o
napięciach ok. 1000 V lub więcej. Zdarza się również w układach dużej mocy stosowanie tranzystorów
krzemowych o prądach do 1000 A. Nie można jednak tych wszystkich cech uzyskać jednocześnie.
Tranzystory są na ogół optymalizowane w grupach jako tranzystory małej mocy, przełączające albo
dużej mocy. Krzem jest materiałem tanim w odróżnieniu od pierwiastków z grupy III-V układu
okresowego.
Materiały grupy III-V.
Nazwa wynika z położenia pierwiastków znajdujących się w trzeciej i piątej kolumnie układu
okresowego. Są to związki materiałów takich jak arsenek galu (GaAs) i fosforek indu (InP). Arsenek galu
stosuje się przede wszystkim dla zakresu mikrofalowego. Tranzystory polowe zrobione z Arsenki Galu
AsFET, posiadają niskie szumy i dlatego są szczególnie przydatne w stopniach wejściowych np. w
odbiornikach radarowych lub satelitarnych. Posiadają niską modulację skrośną, ale są czułe na
przepięcia, a szczególnie na rozładowania elektrostatyczne. Fosforku indu Używa się przede wszystkim
w optoelektronice.
No i wreszcie coś o diodach...
Podstawowym elementem składowym każdej diody jest złącze P-N. Przewodzi ono prąd w jednym
kierunku i nie przewodzi w drugim. W rezultacie nadaje się doskonale do prostowania prądu zmiennego,
co też jest jego najczęstszym zastosowaniem. Do innych celów stosuje się wiele diod różniących się
odpowiednim doborem parametrów złącza p-n.
Dioda krzemowa występuje dzisiaj najczęściej. Diody przeznaczone do pracy przy małych prądach
mają napięcie progowe (spadek napięcia w kierunku przewodzenia) ok. 0,7 V, podczas gdy diody mocy
mają napięcie progowe 1V lub więcej. Gdy napięcie zaporowe ("odwrotne") przekroczy wartość
katalogową, dioda ulega zniszczeniu.
Szczególny typ diody - dioda lawinowa nie zostanie uszkodzona po przekroczeniu napięcia
zaporowego. Nadmiar napięcia zostaje zaabsorbowany przez diodę i dlatego nadaje się doskonale jako
zabezpieczenie przeciwko krótkotrwałym impulsom i przepięciom.
Fast recovery, czyli dioda o krótkim czasie wyłączania, przeznaczona jest do układów przełączających.
Czas przełączania wynosi od 1 do 500 ns. Innym wariantem są diody o niskiej upływności z bardzo
niskim prądem wstecznym.
Dioda germanowa dominowała w zastosowaniach zanim została wyparta w latach 60-tych przez diody
krzemowe. Diody germanowe stosowane są nadal jako części zamienne, oraz w niektórych układach,
gdzie przede wszystkim potrzebne jest niskie napięcie progowe np. w detektorach, w sprzęcie radiowym
i video. Dla diod niskoprądowych, spadek napięcia w kierunku przewodzenia zawiera się w przedziale
0,2 - 0,5 V. Napięcie to zależy od wartości prądu ale w mniejszym stopniu niż dla diod krzemowych,
które mają wyższą "rezystancję" w kierunku przewodzenia. Spadek napięcia w kierunku przewodzenia
w diodach germanowych jest z kolei bardziej zależny od temperatury niż s diodach krzemowych.
Dioda Schottky'ego stanowią w większości wypadków alternatywę dla diod germanowych, gdy
niezbędne jest niskie napięcie progowe. Wynosi ono ok 0,4 V. Diody te działają na nośnikach
większościowych, odznaczają się zatem bardzo krótkimi czasami przełączania i nadają się doskonale
do zastosowań w układach bardzo wielkiej częstotliwości i układach przełączających. Diody
Schottky'ego są powszechnie stosowane w zakresie częstotliwości do 100 Ghz.
Dioda Zenera zachowuje się w kierunku przewodzenia jak dioda, ale ma bardzo dokładnie określone
napięcie przebicia w kierunku wstecznym. Diod tych używa się do pracy w kierunku zaporowym i
wykorzystuje się tzw. napięcie Zenera tj. napięcie, przy którym prąd wsteczny diody gwałtownie rośnie.
Dlatego szeregowo z diodą Zenera należy łączyć rezystor lub inny element ograniczający prąd.
Dioda Zenera ma precyzyjnie określone napięcie przebicia. Charakterystyka diody w kierunku
zaporowym musi wykazać bardzo wyraźne przegięcie. Poza tym zmiany napięcia Zenera w funkcji
temperatury powinny być możliwie małe. Najlepsze parametry termiczne mają diody w zakresie napięć
Zenera 5,6 - 6,2 V. Dla napięć niższych współczynnik temperaturowy napięcia Zenera jest ujemny, dla
napięć wyższych dodatni. Często dla otrzymania elementów stabilizacyjnych o bardzo małym
współczynniku temperaturowym napięcia, łączy się diody o dodatnim i ujemnym współczynniku w celu
ich wzajemnej kompensacji. Czasami łączy się zwykłą diodę krzemową (posiada ujemny współczynnik
temperaturowy przy pracy w kierunku przewodzenia) produkowaną seryjnie, z wysokonapięciową diodą
Zenera. Wypadkowa rezystancja szeregowa diod, powoduje jednak, że charakterystyka przebicia
Zenera będzie mniej stroma. Istnieją również diody stabilizacyjne o napięciu poniżej 2 V. Noszą nazwę
stabilitronów. Są to diody pracujące w kierunku przewodzenia, nie są więc diodami Zenera.
Diody zabezpieczające są w zasadzie diodami Zenera, które tłumią krótkotrwałe napięciowe impulsy
zakłócające. Używa się ich do ochrony elementów i układów elektronicznych. Ograniczanie
maksymalnego napięcia jest precyzyjne i bardzo szybkie. Diody wytrzymują wysokie prądy chwilowe,
które powstają przy ograniczaniu przepięć.
Diody pojemnościowe, warikapowe lub waraktorowe, w których wykorzystuje się zjawisko zmiany
pojemności złącz P-N pod wpływem polaryzacji w kierunku wstecznym. Ten mechanizm występuje w
każdej diodzie półprzewodnikowej spolaryzowanej zaporowo, ale dioda pojemnościowa jest specjalnie
przystosowana do tego zadania. To co je różni to sposób domieszkowania półprzewodnika w obszarze
złącza P-N i w związku z tym odpowiednia koncentracja nośników prądu. W zasadzie można
wyodrębnić złącze o liniowym i skokowym rozkładzie nośników prądu. W praktycznym działaniu
uwidacznia się to w różnych wartościach czułości zmian pojemności w funkcji napięcia.
Diody pojemnościowe zastępują kondensatory obrotowe w obwodach strojeniowych. Mogą być również
stosowane w powielaczach częstotliwości, w przełącznikach systemów wąskopasmowych oraz we
wzmacniaczach parametrycznych.
Diak jest triakiem bez wyprowadzonej bramki. Kiedy podane na diak napięcie przekroczy wartość
graniczną, zaczyna on przewodzić do czasu, kiedy prąd stanie się dostatecznie mały. Przewodzi on w
obu kierunkach i używany jest do sterowania triakami.
Dioda stałoprądowa jest właściwie tranzystorem polowym FET, w którym źródło i dren są ze sobą
połączone.
Dioda tunelowa zawiera silnie domieszkowane złącze P+ - N+ które ty się wyróżnia, że jego
charakterystyka prądowo - napięciowa zawiera odcinek o rezystancji ujemnej. Dioda zaczyna
przewodzić już przy bardzo niskim napięciu ok. 0,1 V w kierunku przywodzenia. Wzrost napięcia
powoduje silny wzrost prądu do momentu, w którym krzywa charakterystyki ulega przegięciu, po czym
zaczyna on maleć mimo dalszego wzrostu napięcia tzn. że występuje tzw. ujemna rezystancja. Gdy
napięcie na diodzie wzrośnie do ok. 0,3 V, następuje ponowne przegięcie charakterystyki diody i
rezystancja powtórnie staje się dodatnia. Diody tunelowe dzięki swojej ujemnej rezystancji,
wykorzystywane są jako elementy aktywne generatorów. Ujemna rezystancja kompensuje rezystancję
strat obwodu rezonansowego, czego efektem jest generacja drgań.
Diody PIN są używane jako elementy o zmiennej impedancji w układach elektronicznych bardzo
wielkich częstotliwości. Posiadają małą rezystancję w kierunku przewodzenia i małą pojemność w
kierunku zaporowym. W rezultacie odznaczają się niskim tłumieniem gdy są załączone, a wysokim
tłumieniem kiedy nie przewodzą. Charakterystyczna dla tej diody jest bezwładność przy przełączaniu.
Oznacza to, że dioda nie nadąża ze swoją charakterystyką za zmianami sygnałów wejściowych. W
zasadzie dioda ta funkcjonuje jak rezystor dla wysokich częstotliwości. Bezwładność, czas powrotu do
napięcia zaporowego, zależy od czasu życia nośników mniejszościowych. Diody PIN dla zakresu
mikrofal, mogą mieć t równe kilka ns, ale istnieją również diody PIN, które można stosować aż do kilku
MHz z t równym ms. Dolna granica częstotliwości = 1/2pt. Poniżej tej granicy dioda funkcjonuje jak
zwykłe złącze P-N.
Rezystancja diody PIN w kierunku przewodzenia może się zmieniać od 1 do 10 000 W w zależności od
polaryzacji. Stosowana jest w tłumikach sterowanych prądowo.
Dioda PIN posiada wbudowaną warstwę wewnętrzną i (w idealnym przypadku warstwa półprzewodnika
samoistnego), która znajduje się między obszarem materiału P i materiału N.
Dioda ładunkowa (step recovery) jest typem diody, który podobnie do diody PIN, ma trzy warstwy. Różni
się jednak tym, że zmiana rezystancji odbywa się gwałtownie przy minimalnej zmianie ładunku między
P i N. Umożliwia to uformowanie impulsów prądu o bardzo stromych zboczach i pozwala otrzymać wiele
częstotliwości harmonicznych przebiegu podstawowego. Typowym przykładem zastosowania jest
powielacz częstotliwości dla zakresu wielkich częstotliwości.
Dioda Gunna. Używana głównie w generatorach mikrofalowych. Na powierzchnię arsenku galu o
grubości ok 0,5 mm, naniesiona jest metodą epitaksji cienka warstwa arsenku galu typu N o niskiej
rezystancji. Do drugiej strony struktury, od strony anody, dołączony jest metalowy radiator. Katoda
diody znajduje się po stronie warstwy epitaksjalnej. Po dołączeniu do diody odpowiedniego napięcia,
takiego by natężenie pola elektrycznego w warstwie epitaksjalnej przekroczyło 350 V/mm, nastąpi
generacja obszaru o wysokim natężeniu pola nazwanego "domeną". Powstająca przy katodzie domena
będzie się powoli przemieszczała w kierunku anody. Droga, po której się ona porusza decyduje o czasie
powtarzania się impulsów. Dioda Gunna dla 10 GHz ma warstwę epitaksjalną ok. 10 mm. Przy
połączeniu diody z rezonatorem, można uzyskać napięcie sinusoidalne. Jednym z wariantów diod
Gunna są diody wykonane z silnie domieszkowanego półprzewodnika. Nazywają się diodami LSA i
mogą generować impulsy mocy wielu kW.
Dioda IMPATT (Avalanche Transition- Time Diod) stosowana jest w generatorach mikrofalowych.
Wykorzystuje się w niej czas przelotu przez warstwę ładunku przestrzennego, podobnie jak w diodach
Gunna i diodach TRAPATT.
Diody TRAPATT jest wariantem diody IMPATT. Nazwa diody jest skrótem od ang. Trapped Plasma
Avalanche Triggered Transit. Ze względu na wartości czasów przełączenia diody Gunna i IMPATT na
ogół nie wytrzymują wyższych częstotliwości niż 3 GHz. Diody TRAPATT mogą jednak być stosowane
aż do ok. 500 Mhz i posiadać moce do 600 W.
Dioda BARITT (Barrier Injection Transit Time) jest zbudowana z dwóch przeciwnie skierowanych złącz
P-N, rozdzielonych wspólnym obszarem typ n. Opóźnienie czasowe powstające w obszarze n powoduje
ujemną rezystancje.